pnp双极型晶体管的设计课程设计.doc

课 程 设 计

课程名称___半导体物理器件和集成电路工艺原理___
题目名称____ pnp双极型晶体管的设计________
学生学院______材料与能源学院__________
专业班级_____2012级微电子2班________
学 号______________________________
学生姓名_________ _____ _____
指导老师:

2015 年 1 月 23 日

一、课程设计的内容
设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=300K时，hfe=80。BVCBO=60V.晶体管工作于小注入条件下，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响
二、课程设计的要求与数据
1．了解晶体管设计的一般步骤和设计原则
2．根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度NE, NB,和NC, 根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。
3．根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度Wc，基本宽度Wb，发射区宽度We和扩散结深Xjc, 发射结结深Xje等。
4．根据扩散结深Xjc, 发射结结深Xje等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。
5．根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、发射区和金属接触孔的光刻版图。
6. 根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。
7．撰写设计报告
三、课程设计应完成的工作
1. 材料参数设计
2.晶体管纵向结构设计
3.晶体管的横向结构设计（设计光刻基区、发射区和金属化的掩膜版图形）
4．工艺参数设计和工艺操作步骤
5.总结工艺流程和工艺参数
6. 写设计报告
四、课程设计进程安排
序号
设计各阶段内容
地点
起止日期
1
教师布置设计任务，讲解设计要求和方法
教1-403
2015.1.12
2
学生熟悉设计任务，进行资料查阅和整体设计方案的制定
图书馆，
教1-403
2015.1.13
3
设计晶体管的材料参数
图书馆，
教1-403
2015.1.14
4.
设计晶体管的纵向结构参数
图书馆，
教1-403
2015.1.15
5
教师集中辅导，分析设计中存在的主要问题

教1-403
2015.1.16
6
设计纵向结构参数, 绘制光刻基区、发射区和金属化的版图

教1-403
2015.1.17-
2015.1.19
8
工艺操作步骤设计
图书馆，
教1-403
2015.1.20
9
教师集中辅导和检查版图和工艺操作的设计

教1-403
2015.1.21

10
写课程设计报告
图书馆，
教1-403
2015.1.22-
2015.1.23
112
课程设计答辩
工学三号馆311
2015.1.24
五、应收集的资料及主要参考文献
1．《半导体器件基础》Robert F. Pierret著，黄如译，电子工业出版社，2004.
2．《半导体物理与器件》 赵毅强等译，电子工业出版社，2005年.
3．《硅集成电路工艺基础》，关旭东编著，北京大学出版社，2005年.
4
发出任务书日期： 2015 年 1 月 12 日 指导教师签名：

计划完成日期： 2015年 1月 24日 基层教学单位责任人签章：

主管院长签章：

目 录
1.课程设计目的与任务…………………………………………………………2
2.设计的内容……………………………………………………………………2
3. 设计的要求与数据……………………………………………………………2
4.物理参数设计…………………………………………………………………3
4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算………………………………………3
4.2 集电区厚度Wc的选择……………………………………………………6
4.3 基区宽度WB………………………………………………………………6
4.4 扩散结深…………………………………………………………………10
4.5 芯片厚度和质量…………………………………………………………10
4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择…………………………………10
5.工艺参数设计…………………………………………………………………11
5.1 工艺部分杂质参数………………………………………………………11
5.2 基区相关参数的计算过程………………………………………………11
5.3 发射区相关参数的计算过程……………………………………………13
5.4 氧化时间的计算…………………………………………………………14
6.设计参数总结…………………………………………………………………16
7.工艺流程图……………………………………………………………………17
8.生产工艺流程…………………………………………………………………19
9.版图……………………………………………………………………………28
10.心得体会……………………………………………………………………29
11.参考文献……………………………………………………………………30

PNP双极型晶体管的设计
1、课程设计目的与任务
《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。
目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。
2、设计的内容
设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=300K时，β=80，VCBO=60V.晶体管工作于小注入条件下，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。
3、设计的要求与数据
（1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。
（2）根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度NE, NB,
和NC,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命
等。
（3） 根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度Wc，
基本宽度Wb，发射区宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深Xje等。
（4） 根据扩散结深Xjc,发射结结深Xje等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩
散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化
时间。
（5） 根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、
发射区和金属接触孔的光刻版图。
（6）根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。
4、物理参数设计
4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算
击穿电压主要由集电区电阻率决定。因此，集电区电阻率的最小值由击穿电压决定，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量，以满足其他电学参数的要求。
对于击穿电压较高的器件，在接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至均匀掺杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压V时，集电结可用突变结近似，对于Si器件击穿电压为 ， 由此可得集电区杂质浓度为：

由设计的要求可知C-B结的击穿电压为：
查表,可得集电区杂质浓度：
3
-
15
cm
10
9
´
=
C
N

一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC，根据以往的经验可取:

即各区的杂质溶度为：
3
-
18
3
-
16
3
-
15
cm
10
9
,
cm
10
9
cm
10
9
´
=
´
=
´
=
C
B
C
N
N
N
，

图1 室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系（器件物理P55）

根据图1，得到少子迁移率：
S
V
cm
n
C
·
=
=
/
1200
2
m
m
S
V
cm
B
·
=
=
/
480
2
p
m
m
S
V
cm
n
E
·
=
=
/
270
2
m
m

KT
根据公式可得少子的扩散系数：
s
q
D
C
C
/
cm
2
.
31
1200
026
.
0
2
=
´
=
=
m

KT
s
q
D
B
B
/
cm
48
.
480
026
.
0
2
=
´
=
=
m
12

KT
s
q
D
E
E
/
cm
02
.
7
270
026
.
0
2
=
´
=
=
m

图2 掺杂浓度与电阻率的函数关系（器件物理P59）

根据图2，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：

图3 少子寿命与掺杂浓度的函数关系（半导体物理P177）
根据图3，可得到各区的少子寿命
s
C
5
10
9
-
´
=
t
s
B
5
10
2
-
´
=
t
s
E
7
10
2
-
´
=
t

注明：这里的少子寿命偏大，故取器件物理287页的经验值，为了方便得到较合理的基区准中性宽度，所以这里的少子寿命取值如下：

根据公式得出少子的扩散长度：

4.2 集电区厚度Wc的选择
根据公式求出集电区厚度的最小值为：
WC的最大值受串联电阻rcs的限制。增大集电区厚度会使串联电阻rcs增加，饱和压降VCES增大，因此WC的最大值受串联电阻限制。
综合考虑这两方面的因素，故选择WC=5μm
4.3 基区宽度WB
（1）基区宽度的最大值
对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是b，因此低频器件的基区宽度最大值由确定。当发射效率γ≈1时，电流放大系数，因此基区宽度的最大值可按下式估计：
为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足要求，因而设计过程中取λ=4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：

由公式可看出，电流放大系数β要求愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量，在满足β要求的前提下，可以将基区宽度选的宽一些，使电流在传输过程中逐渐分散开,以提高二次击穿耐性。

（2）基区宽度的最小值
为了保证器件正常工作，在正常工作电压下基区绝对不能穿通。因此，对于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区穿通电压决定,此处，对于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时，基区一侧的耗尽层宽度为：

在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。
则由上述计算可知基区的范围为：

（3）基区宽度的具体设计
BJT可以看成是由两个独立的PN结构成，它在平衡时的结构图如下所示：
图4 平衡条件下的PNP三极管的示意图
具体来说，由于，所以E-B耗尽区宽度（）可近视看作全部位于基区内，又由，得到大多数C-B耗尽区宽度（）位于集电区内。因为C-B结轻掺杂一侧的掺杂浓度比E-B结轻掺杂一侧的浓度低，所以＞。另外注意到是基区宽度，是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于PNP晶体管，有：
其中和分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度，在BJT分析中指的就是准中性基区宽度。
E-B结的内建电势为：

C-B结的内建电势为：

根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度为：
∵ ，可以当成单边突变结处理

C-B结在基区一边的耗尽层厚度为：

根据公式有：

求解得到
由上述可得基区总宽度：
满足条件：。但是为了与标准工艺相对应，，方便以后的计算。

4.4 扩散结深
在晶体管的电学参数中，击穿电压与结深关系最为密切，它随结深变浅，曲率半径减小而降低，因而为了提高击穿电压，要求扩散结深一些。但另一方面，结深却又受条宽限制，由于基区积累电荷增加，基区渡越时间增长，有效特征频率就下降，因此，通常选取：
反射结结深为
集电结结深为
4.5 芯片厚度和质量
本设计选用的是电阻率为的P型硅，晶向是<111>。硅片厚度主要由集电结深、集电区厚度、衬底反扩散层厚度决定。同时扩散结深并不完全一致，在测量硅片厚度时也存在一定误差。因此在选取硅片厚度时必须留有一定的的余量。衬底厚度要选择适当，若太薄，则易碎，且不易加工；若太厚，则芯片热阻过大。因此，在工艺操作过程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最后要减薄到150～200um。硅片的质量指标主要是要求厚度均匀，电阻率符合要求，以及材料结构完整、缺陷少等。
4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择
(1)横向设计
进行晶体管横向设计的任务，是根据晶体管主要电学参数指标的要求，选取合适的几何图形，确定图形尺寸，绘制光刻版图。晶体管的图形结构种类繁多：从电极配置上区分，有延伸电极和非延伸电极之分；从图形形状看，有圆形、梳状、网格、覆盖、菱形等不同的几何图形。众多的图形结构各有其特色。
此次设计的晶体管只是普通的晶体管，对图形结构没有特别的要求，所以只是采用普通的单条形结构。三极管剖面图如图5，三极管俯视图如图6。
图5：三极管剖面图 图6：三极管俯视图

(2) 基区、发射区与集电区面积的计算
基区面积无特别要求，取有效的
根据设计要求，涉及到集电极电流受基区电导调制效应的限制。有公式：

为了与标准工艺相对应，将发射区的面积取为28 um2
由最大饱和压降VCES≤2V可得到：
（8）
其中、为临界饱和时的结压降，通常V，可以到《半导体物理学》第七版，电子工业出版社一书的124页，图4-15进行查得，由（8）式得：
另外，为满足散热要求，取AC要大一些。
故最终决定的三个区的面积分别为，，

(2)基区和发射区面积
发射区面积取
基区面积取。
5、工艺参数设计
5.1 工艺部分杂质参数
计算思路：发射区扩散时间à氧化层厚度à在发射区扩散时基区扩散结深à基区扩散时间à基区掩蔽层厚度à氧化时间。
由于二次氧化，必须在考虑基区扩散深度时须对发射区掩蔽层消耗的硅进行补偿（在前面计算已将它计算在内了）。下表是计算扩散系数过程中要用到的：
杂质元素

磷（P）
3.85
3.66
硼（B）
10.5
3.69
表1 硅中磷和硼的与（微电子工艺基础119页表5-1）
表2：二氧化硅中磷和硼的与（微电子工艺基础106页表4-6）
杂质元素

磷（P）

1.75
硼（B）

3.50

5.2 基区相关参数的计算过程
5.2.1 预扩散时间

图7 杂质在硅中的溶解度（实用集成电路工艺手册107页图6-7）

PNP基区的磷预扩散的温度取1120℃，即1353K.
单位面积杂质浓度：

由上述表1可知磷在硅中有：

由图七可知，取
由公式 ，得出基区的预扩散时间：

5.2.2 氧化层厚度
氧化层厚度的最小值由预扩散（1353K）的时间t=12min来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求 ，由一些相关资料可查出磷（P）在温度1080℃时在中的扩散系数：，查表得

为了计算简便，并考虑到生产实际情况，取基区氧化层厚度为7000。
5.2.3 基区再扩散的时间
PNP基区的磷再扩散的温度这里取1200℃，即1473k。，此时，磷的扩散系数：
由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，
由再扩散结深公式：，
而且 ，
故可整理为：
即
经过化简得： ，由MATLAB计算
解得基区再扩散的时间： t=4.0h
5.3 发射区相关参数的计算过程
5.3.1 预扩散时间
PNP发射区的硼预扩散的温度这里取950℃，即1223K。
单位面积杂质浓度：

由上述表1可知硼在硅中有：

查表知，取
由公式 ，得出发射区的预扩散时间：

5.3.2 氧化层厚度
氧化层厚度的最小值由预扩散（1223K）的时间t=1234.5s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求 ，由一些相关资料可查出硼（B）在温度950℃时在中的扩散系数：

考虑到生产实际情况，发射区氧化层厚度取为6000。
5.3.3 发射区再扩散的时间
PNP发射区的硼再扩散的温度这里取1170℃，即1443K，则

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，
由再扩散结深公式：，
而且 ，
所以有：
即
化简得： ，由MALTAB计算
解得发射区的再扩散的时间： t=1.5h
5.4 氧化时间的计算
5.4.1 基区氧化时间
表3 1100℃的干氧和湿氧的氧化速率常数（半导体制造基础41页）

A()
B()
B/A()

干氧
0.09

4.56
湿氧(95℃水汽)
0.11

0
表4 1200℃的干氧和湿氧的氧化速率常数（半导体制造基础41页）

A()
B()
B/A()

干氧
0.04

1.62
湿氧(95℃水汽)
0.05

0
（1）基区氧化时间
前面已算出基区氧化层厚度是6000，设氧化温度是1100℃，为了保证氧化层的质量，故采用干氧（1000）--湿氧(4000)—干氧(1000)工艺。
查资料可知
所以1100℃干氧的情况下：；
1100℃湿氧的情况下：，将上面的厚度对应代入得到：
干氧18.67min（1000）--湿氧15min(4000)—干氧18.67min(1000)
总的时间：53min

(2)发射区氧化时间
因为发射区氧化层厚度是7000，取氧化温度为1200℃，为了保证氧化层的质量，故采用干氧（500）--湿氧(6000)—干氧(500)工艺。

方法同基区氧化时间的计算方法一样，1200℃干氧的情况下：，
1200℃湿氧的情况下：，解得：
干氧6min（500）--湿氧16min(6000)—干氧6min(500)
总的时间：28min
6、设计参数总结
采用外延硅片，其衬底的电阻率为7的P型硅，选取<111>晶向。
相关参数
集电区C
基区B
发射区E
各区杂质浓度

少子迁移率
1200
480
270
少子扩散系数
31.2
12.48
7.02
电阻率
1.9
0.09
0.011
少子寿命

扩散长度

结深/W()

Wb=4.5um

面积(2)
1200
600
100
扩散温度(℃)和
时间
预扩散
/
1050℃,1323K
950℃, 1223K
再扩散
/
1235℃,1508K
1200℃,1473K
氧化层厚度()
/
6000
7000
氧化时间
/
先干氧氧化18.67分钟，后湿氧氧化23分钟，再干氧氧化18.67分钟，共氧化53分钟。
先干氧氧化6分钟，后湿氧氧化16分钟，再干氧氧化6分钟，共氧化28分钟
表2 设计参数总表
7、工艺流程图
PNP晶体管生产总的工艺流程图如下:

1.硅片清洗 2.氧化
<111>晶向，电阻率为1.17Ω， 作为掩蔽膜
用1号清洗液
---------------------------------------------------------------------

光刻基区 磷扩散
在掩膜板上光刻一个基区窗口，面积为 杂质浓度为；预扩散温度为； 预扩散时间为；
-----------------------------------------------------------------------------------

5去氧化膜 6.磷再扩散
将预扩散中掺入杂质的氧化层 再扩散温度为；再扩散时间为；
通过清洗工艺去掉 基区结深为；氧化一层氧化膜作为 掩蔽膜
--------------------------------------------------------------------

7.光刻发射区 8.硼预扩散
在掩膜板上光刻一个发射区窗口 杂质浓度为；预扩散温度为； 面积为； 预扩散时间为；
-------------------------------------------------------------------------------------

9. 去氧化膜 10.硼再扩散
将预扩散中掺入杂质的氧化层 再扩散温度为；再扩散时间为；
通过清洗工艺去掉 基区结深为；
---------------------------------------------------------------------

11. 沉积保护层 12.光刻接触孔
保护晶体管各区杂质浓度不变
-------------------------------------------------------------------

13.金属化 14.光刻金属孔
---------------------------------------------------------------------

15.参数检测（用晶体管测试仪测试相关参数，验证其正确性）

8、生产工艺流程
8.1 硅片清洗
1.清洗原理：
a. 表面活性剂的增溶作用：表面活性剂浓度大于临界胶束浓度时会在水溶液中
形成胶束，能使不溶或微溶于水的有机物的溶解度显著增大。
b.表面活性剂的润湿作用：固－气界面消失，形成固－液界面
c.起渗透作用；利用表面活性剂的润湿性降低溶液的表面张力后，再由渗透剂的
渗透作用将颗粒托起，包裹起来。具有极强渗透力的活性剂分子可深入硅片表
面与吸附物之间，起劈开的作用，活性剂分子将颗粒托起并吸附于硅片表面上，
降低表面能。颗粒周围也吸附一层活性剂分子，防止颗粒再沉积。
通过对污染物进行化学腐蚀、物理渗透和机械作用，达到清洗硅片的目的。
硅片清洗液是指能够除去硅片表面沾污物的化学试剂或几种化学试剂配制的
混合液。常用硅片清洗液有：

图片摘自《实验指导书》P132

8.2 氧化工艺
8.2.1 氧化原理
二氧化硅能够紧紧地依附在硅衬底表面，具有极稳定的化学性和电绝缘性，因此，二氧化硅可以用来作为器件的保护层和钝化层，以及电性能的隔离、绝缘材料和电容器的介质膜。
二氧化硅的另一个重要性质，对某些杂质（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，从而可以选择扩散；正是利用这一性质，并结合光刻和扩散工艺，才发展起来平面工艺和超大规模集成电路。
制备二氧化硅的方法很多，但热氧化制备的二氧化硅掩蔽能力最强，是集成电路工艺最重要的工艺之一。由于热生长制造工艺设备简单，操作方便，SiO2膜较致密，所以采用热氧化二氧化硅制备工艺。

高温氧化的机理：
即化学反应如下所示：

氧化层形成后，氧原子必须穿过氧化层到达硅表面并在那里进行反应，化学反应在 Si-SiO2 界面发生。完成这个过程必须经过以下三个连续的步骤： 1．氧化剂分子由汽相内部迁移到汽相与氧化介质膜界面处。 2．氧化剂分子扩散通过业已生成的初始氧化层。 3．氧化剂分子到达初始氧化层与硅的界面处与硅继续反应。
2. 氧化方式比较：

在生产中，一般采用干氧—湿氧—干氧，交替使用的氧化方法，由于湿氧氧化生长的二氧化硅薄膜表面存在硅烷醇（Si―OH），和光刻胶粘润不良，光刻时易产生浮胶现象，若再通一段时间的干氧，可使硅烷醇转变成硅氧烷（Si―O―Si），成为疏水表面，从而改善二氧化硅表面与光刻胶的接触，使光刻时不易产生浮胶。另外可以在较短的时间内，获得较好的氧化层。
根据迪尔和格罗夫模型，热氧化过程须经历如下过程：
（1）氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞流层运动到SiO2-气体界面，其流密度用F1表示，流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。
（2）氧化剂以扩散方式穿过SiO2层（忽略漂移的影响），到过SiO2-Si界面，其流密度用F2表示。
（3）氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度用F3表示。
（4）反应的副产物离开界面。
氧化的致密性和氧化层厚度与氧化气氛（氧气、水气）、温度和气压有密切关系。应用于集成电路掩蔽的热氧化工艺一般采用干氧→湿氧→干氧工艺制备。
8.2.2 氧化工艺步骤
（1）开氧化炉，并将温度设定倒750--850℃，开氧气流量2升/分钟；
（2）打开净化台，将清洗好的硅片装入石英舟，然后，将石英舟推倒恒温区。并开始升温；
（3）达到氧化温度后，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，确定干氧时间。在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95-98℃。干氧完成后，立即开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计，确定湿氧时间；
（4）湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，确定干氧时间；
（5）干氧完成后，开氮气流量计，调整氮气流量3升/分钟，并开始降温，降温时间30分钟；
（6）将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，同时，检测氧化层表面状况和厚度；
（7）关氧化炉，关气体。
8.2.3 测量氧化层厚度
氧化完成后，根据芯片表面颜色大致可以判断出氧化硅的厚度。因为不同厚度的氧化硅对可见光的折射率不同，芯片表面氧化硅的颜色会随着厚度的变化呈现周期性变化，下面是不同厚度对应的大致颜色，可作为氧化层厚度的大致判断依据。
颜色
氧化膜厚度（埃）
第一周期
氧化膜厚度（埃）
第二周期
氧化膜厚度（埃）
第三周期
氧化膜厚度（埃）
第四周期
灰
100

黃褐
300

蓝
800

紫
1000
2750
4650
6500
深蓝
1500
3000
4900
6800
绿
1850
3300
5600
7200
黃
2100
3700
5600
7500
橙
2250
4000
6000

红
2500
4350
6250

8.3 光刻工艺
8.3.1 光刻原理
光刻工艺原理
通常采用的接触式曝光的光刻工艺是光学照相和化学腐蚀相结合、在SiO2薄层上或者金属薄层上获得所需的精细图形的方法，是微电子技术的基础。薄层上需要获得的精细图形首先用制版的方法做成光刻掩膜版（简称光刻版、相当于照相底片），光刻掩膜版根据图形需要，有的地方透光，有的地方不透光。光学照相是在一种感光胶膜上进行的，这种胶膜相当于照相胶卷上的药膜，但同时有抗腐蚀性，因而称之为光致抗蚀剂（又称光刻胶），主要分为正胶和负胶两种。负胶的特点是：胶膜凡是被光照射到的地方，发生了交链反应，变成为大分子，经过曝光的胶膜在显影液中会保留下来，以保护胶膜下的薄膜在后续的腐蚀工艺中不被腐蚀。而正胶则相反，光照使其发生分解反应，利用合适显影液就会溶除曝光部分的胶膜。经腐蚀后获得与光刻掩模版相对应的图形。随着微电子器件尺寸越来越小，光刻工艺的进步是最基本的技术支撑。

集成电路对光刻的基本要求有如下几个方面：
（1） 高分辨率：集成度越高则要求条宽越细，要求光刻技术的图形分辨率越高；
（2） 高灵敏度：灵敏度是指光刻机的感光速度；
（3） 低缺陷；
（4） 精密的套刻对准：集成电路的图形结构需要多此光刻完成，每次曝光都需 要相互套准，因此集成电路对光刻套准要求非常高。

光刻工艺步骤
1. 准备：
A) 开前烘，坚膜烘箱，前烘温度设定95℃，坚膜温度为120℃。
B) 涂胶前15分钟开启图胶净化台，调整转速，以满足生产要求。
C) 光刻前30分钟，开启光刻机汞灯。
D) 开启腐蚀恒温槽，温度设定40℃
E) 清洗胶瓶和吸管，并倒好光刻胶。
F) 清洗掩膜版（基区光刻掩膜版），并在净化台下吹干
2. 涂胶：光刻工艺采用旋转涂胶法，涂胶前设定好予匀转速和时间，甩干速度和时间。将氧化完成或扩散完成的硅片放在涂胶头上，滴上光刻胶进行涂胶，要求胶面均匀、无缺陷、无未涂区域。
3. 前烘： 将涂好光刻胶的硅片放入前烘烘箱，并计时，前烘完成后将硅片取出，
4. 对准： 将掩膜版上在光刻机上，并进行图形套准。
5. 曝光：将套准后的硅片顶紧，检查套准误差、检查曝光时间，确认无误后，进行曝光。
6. 显影：采用浸泡显影，分别在1#显影液，2#显影液显3-5分钟，然后在定影液定影3-5分钟，之后在甩干机中甩干，在显微镜下检查是否合格，否则，返工。
7. 坚膜：在显影检查合格后将硅片放入坚膜烘箱进行坚膜，设定坚膜时间。
8. 腐蚀：将坚膜好的硅片准备腐蚀，首先确认氧化层厚度，计算腐蚀时间。然后进行腐蚀，腐蚀后冲水10分钟，甩干后在显微镜下检查是否腐蚀干净，若未腐蚀干净继续腐蚀。
9. 去胶：硅片腐蚀完成后，在3#液中将光刻胶去掉，并冲洗干净，工艺结束。

8.4 磷扩散工艺（基区扩散）
8.4.1 工艺原理
（1）扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，各种分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，磷扩散工艺是将一定数量的磷杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原来的电学性质。
磷扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两步扩散法，
预扩散分布为余误差分布；再扩散杂质分布为高斯分布。
8.4.2 工艺步骤
1.准备：开扩散炉，并将温度设定倒700--750℃，开氮气流量3升/分钟。本实验采用液态源扩散，源温用低温恒温槽保持在5℃以内。
2.硅片清洗：清洗硅片（见清洗工艺）将清洗好的硅片甩干。
3.将从石英管中取出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。
4.调节温控器，使温度达到预扩散温度800℃，调节氧气调整氧气流量为3升/分钟，并开始计时，根据工艺条件进行干氧。
5.干氧完成后，开氮气流量计，按工艺条件调节氮气氧气比例，然后，开通源阀，使通源流量达到工艺要求，并开始计时。
6.通源完成后，关闭通源流量计，保持氮气、氧气流量进行吹气，吹气完成后，调整氮气流量3升/分钟，关闭氧气流量计，同时调整扩散炉温控器，进行降温30分钟。之后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，冲洗干净后，检测R□值用四探针法进行测量。
四探针法中探针等间距配置，有恒流源供给外侧两根探针一个小电流I，在内部两个探针之间可以测到电压V，对于厚度远小于直径d的薄型半导体样品来说，电阻率可以由下式给出:
式中CF为修正因子，它与壁纸d/s有关，s为探针间距，当d/s>20时，修正因子为4.54。

7.将预扩散硅片用2#液清洗，冲洗干净甩干。
8.取出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。
9.调节温控器，使温度达到再扩散温度1250℃，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，根据工艺条件进行干氧11分钟。
10.在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到95-98℃。干氧完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。根据工艺条件进行湿氧36分钟。
11.湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定干氧时间为11分钟。
12.干氧完成后，开氮气流量计，流量3升/分钟，根据工艺条件，确定氮气时间328分钟。
13.氮气完成后，主扩散结束，调整温控器降温，氮气流量不变，时间30分钟。
14.降温完成后，拉出石英舟，取出硅片，检测氧化层厚度、均匀性，漂去氧化层，冲洗干净后，检测R□值，结深(磨角法或者SEM法)，β值。
15.将扩散后的硅片交光刻工艺，光刻完成后，检测击穿电压、β值。
16、根据实测β值，与工艺要求进行比较，如果不满足工艺条件，重新计算再扩散时间，并制定再扩散工艺条件，至到达到设计要求。磷扩散工艺实验结束。

第二次光刻工艺（发射区光刻）
此次除了光刻掩膜版外（这次用发射区光刻掩膜版